JP4436463B2 - ３つの独立制御電極を具備したエッチングチャンバ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、半導体ウェーハの製造に関し、特に、半導体ウェーハ製造における多結晶シリコンおよび金属導体の選択性・異方性エッチング用３電極エッチングチャンバ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ製造において、多結晶シリコンはゲート材料として広く使用されている。この技術分野では現代の傾向としてデバイス密度が増加の一途をたどっており、それに伴って必要とされるより小さな最小加工寸法を半導体処理の間精確に維持しなければならない。これは、比較的低圧の高密度プラズマを利用した異方性・選択性エッチングにより達成されている。
【０００３】
当業者には明らかであるように、プラズマエッチングではＲＦ電圧に結合されたプラズマを用いて化学的に活性のエッチャントが発生され、それが基板の非保護層と反応して揮発性のエッチング生成物が形成される。この手法は基板とエッチングガスの適切な組み合わせにより可能となる。そのような組み合わせが半導体デバイスの製造に使用される膜の大部分に関して分かっている。代表的なエッチングガスの例としては塩素およびフッ素化合物があり、それぞれＣＣｌ_４とＣＦ_４の形で利用可能である。これらの化合物はポリシリコン、ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４，および金属類のエッチング用に組成されている。例えば、フッ素ラジカルはシリコンと反応して揮発性のシリコンテトラフルオリドエッチング生成物を形成する。レジスト等の有機フィルムをエッチングしたり、エッチングガスのエッチング速度を大幅に増加させるために、酸素を含んだプラズマが広く用いられている。
【０００４】
プラズマエッチングは一般的に図１に示すようなエッチングチャンバ内で行われる。図１の公知技術によるエッチングチャンバ１０は壁面１２と、超純度の石英板で作られた誘電体窓１４で構成される。チャンバ１０の誘電体窓１４上方には誘導コイル１６が配設されており、ＲＦ発振器１８によって駆動される。チャンバ１０内には一般的にチャックと呼ばれる導電性のウェーハ固定機構２２が置かれている。このウェーハチャックは第２のＲＦ発振器２０により駆動される。コイル１６を発振器１８で駆動することにより高密度の誘導結合されたプラズマが発生する。第２の発振器２０によりウェーハ２４にＲＦバイアスがかけられ、それによりウェーハ表面へイオンが衝撃されることにより、異方的な反応性イオンエッチング（Ｒ．Ｉ．Ｅ）が達成される。
【０００５】
しかしながら、上記したようなチャンバ内エッチングでは必ずしも所望の異方性が確保できない。例えば、図１のチャンバ内でプラズマエッチングしてポリシリコンゲートを形成すると、ゲート側壁に傾斜ないしはアンダーカットが生じてしまうことが少なくない。これは選択性の問題である。特に選択性が必要となるのは、ポリシリコンゲート電極をパターニングする際に、下地層のゲート酸化物を除去してしまうことのないようにするためであるが、それはデバイスが小さくなるにつれて双方において必要とされるエッチング比が増大するからである。より詳細には、シリコンに比して、シリコン酸化物に対する高い選択性が必要とされるが、それは接合深度がフィールド酸化物の厚さよりも速く減少するからである。さらに、シリコン酸化物に比して、シリコンに対する高い選択性が必要となる、というのもゲート酸化物の厚さはゲート電極の厚さよりも速く減少するからである。また、必要とされる選択性は前処理段階で形成された形状のみならず、エッチングされた、ないしは下地層の厚さに依存する。
【０００６】
よって、図１のチャンバ内でプラズマエッチングを行う際に異方性を得るためには、接合部側壁に保護膜を形成する必要がある。これは図１の従来技術によるチャンバでは上記したエッチング生成物を適当に選択することにより達成される。しかし、選択を適当に行ったとしても、エッチプロセスの終期においてはそれらエッチング生成物の濃度は減少し、側壁保護膜形成の進行が低下する。その結果多くの場合えぐれが生じ、ゲート酸化物等の下地層に対する選択性が低下する。よって、エッチング生成物を慎重に選択するという手法に頼らず、側壁保護膜形成を制御する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の課題は側壁保護膜形成をより精確に制御可能な、改良されたエッチングチャンバ装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本願発明のエッチングチャンバ装置は以下の構成を有している。すなわち、上部に石英板製の平らな誘電体窓を有したエンクロージャと、第１のＲＦ発振器からのＲＦ電圧に誘導的に結合され、かつ、渦巻き状の平らな誘導コイルを前記エンクロージャの外部の前記誘電体窓の上方に有する第１の電極手段と、第２のＲＦ発振器に結合され、かつ、導電性チャックを前記エンクロージャ内に有する第２の電極手段とを具備し、前記第１の電極手段により、前記誘電体窓を介して、前記エンクロージャ内に導入されたプロセスガスがＲＦ電圧と誘導結合されてプラズマに変換され、前記第２の電極手段により、前記第１の電極手段によって発生された前記プラズマが励起され、これにより半導体ウェーハ上にゲートがエッチングされる、半導体ウェーハの異方性・選択性エッチング用エッチングチャンバ装置において、前記第２のＲＦ発振器により、少なくとも１つのエッチング用の半導体ウェーハと前記導電性チャックとが一体として独立に駆動され、さらに、第３のＲＦ発振器に結合され、かつ、前記第１の電極手段と前記誘電体窓との間に配置された平らな第３のグリッド型電極手段が設けられており、エッチングの終期においてエッチング生成物の濃度が低減してきたときに、前記第３のグリッド型電極手段を独立に制御することにより、前記誘電体窓がスパッタされて少なくとも１つのゲートの側壁に保護膜が形成され、前記第１，第２および第３の電極手段がそれぞれ別個の前記第１，前記第２および前記第３のＲＦ発振器手段に接続されて独立して制御されることにより、前記ゲートの異方性・選択性エッチングが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本願発明のエッチングチャンバ装置は特に半導体ゲート導体スタックおよび金属配線用の異方性・選択性エッチング装置であるが、その他の半導体構造にも有用である。
【００１０】
【実施例】
図２に本願発明によるエッチングチャンバ装置の実施例を参照番号３０で示す。エッチングチャンバ３０は１つながりの壁面３２を有したエンクロージャ３１と、超純度の石英製の平らな誘電体窓３４から概略構成されている。エンクロージャ３１はアルミニウム等の導電性金属から作られるが、その他の公知材料から作ることもできる。
【００１１】
引き続き図２において、本願発明のエッチングチャンバ３０は３つの独立して制御される電極３６、４２、４８を有し、それらによって、半導体ウェーハ上のゲート導電体スタックと金属導線の高選択性・異方性エッチングが可能となっている。より詳細には、電極３６は、エンクロージャ３１の誘電体窓３４の上部に配設された渦巻き状の誘導コイルを有する。電極３６はＲＦ発振器３８に接続されており、それによって駆動される。エンクロージャ３１内部には電極４２が配置されており、１つあるいは複数の半導体ウェーハ４４を保持するための通常の導電性チャックを有している。チャック４２はウェーハ４４を保持するのみならず、エッチング中にウェーハ温度を一定に保つよう動作する。第２のＲＦ発振器４６がチャック４２に結合されており、チャック４２とウェーハ４４を駆動する。電極４８は新規なグリッド型電極を構成しており、それにより側壁の保護膜形成が独立して制御される。このグリッド型電極４８はいずれの適当な導電材料からも作ることができる。グリッド型電極４８はチャンバ３０の誘導コイル３６と誘電体窓３４間に配設されている。グリッド型電極４８には第３の発振器５０が結合されており、前者専用に制御されるＲＦエネルギー源を構成している。
【００１２】
半導体ウェーハ４４をエッチングする際には、ＲＦ発振器３８、誘導コイル３６、および誘電体窓３４は共働して、エンクロージャ３１の４０の部分へ導入された特定のプロセスガスへＲＦ電圧を誘導結合する。使用するガスの例としては、塩化水素（ＨＣｌ）、塩素（Ｃｌ_２）、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、その他の適当なエッチングガスがある。この誘導性結合により、特定の選択されたガスが誘導性プラズマに変換される。第２のＲＦ発振器４６によりチャックとウェーハが一体として独立に駆動され、誘導コイル３６と誘電体窓３４によって発生された誘導性プラズマがさらに励起される。グリッド電極４８を駆動するＲＦ発振器５０を選択的に制御してチャンバ３０の誘電体窓３４をスパッタすることにより付加的な側壁保護膜を形成することができるので、主エッチングの終期におけるエッチング生成物の濃度が低減してきた時にも、異方性エッチングが可能となる。これにより、ウェーハ４４の下部酸化層に対する選択性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来技術によるエッチングチャンバ装置の略図である。
【図２】図２は本願発明によるエッチングチャンバ装置の略図である。
【符号の説明】
１２、３２ 壁面
１４、３４ 誘電体窓
１６ 誘導コイル
１８ ＲＦ発振器
２０ 第２ＲＦ発振器
２２ チャック
２４ ウェーハ
３１ エンクロージャ
３６ 第１電極
３８ 第１ＲＦ発振器
４２ 第２電極
４４ ウェーハ
４６ 第２ＲＦ発振器
４８ 第３電極
５０ 第３ＲＦ発振器

Claims (1)

1. 上部に石英板製の平らな誘電体窓を有したエンクロージャと、
   第１のＲＦ発振器からのＲＦ電圧に誘導的に結合され、かつ、渦巻き状の平らな誘導コイルを前記エンクロージャの外部の前記誘電体窓の上方に有する第１の電極手段と、
   第２のＲＦ発振器に結合され、かつ、導電性チャックを前記エンクロージャ内に有する第２の電極手段と
   を具備し、
   前記第１の電極手段により、前記誘電体窓を介して、前記エンクロージャ内に導入されたプロセスガスがＲＦ電圧と誘導結合されてプラズマに変換され、
   前記第２の電極手段により、前記第１の電極手段によって発生された前記プラズマが励起され、
   これにより半導体ウェーハ上にゲートがエッチングされる、
   半導体ウェーハの異方性・選択性エッチング用エッチングチャンバ装置において、
   前記第２のＲＦ発振器により、少なくとも１つのエッチング用の半導体ウェーハと前記導電性チャックとが一体として独立に駆動され、
   さらに、第３のＲＦ発振器に結合され、かつ、前記第１の電極手段と前記誘電体窓との間に配置された平らな第３のグリッド型電極手段が設けられており、
   エッチングの終期においてエッチング生成物の濃度が低減してきたときに、前記第３のグリッド型電極手段を独立に制御することにより、前記誘電体窓がスパッタされて少なくとも１つのゲートの側壁に保護膜が形成され、
   前記第１，第２および第３の電極手段がそれぞれ別個の前記第１，前記第２および前記第３のＲＦ発振器手段に接続されて独立して制御されることにより、前記ゲートの異方性・選択性エッチングが可能となる
   ことを特徴とする半導体ウェーハの異方性・選択性エッチング用エッチングチャンバ装置。

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